Cấu tạo và nguyên lý biến áp

Cấu tạo và nguyên lý biến áp, bài giảng về máy biến áp, nguyên lý và cấu tạo của biến áp Cấu tạo và nguyên lý biến áp, bài giảng về máy biến áp, nguyên lý và cấu tạo của biến áp Cấu tạo và nguyên lý biến áp, bài giảng về máy biến áp, nguyên lý và cấu tạo của biến áp

Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phòng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009

4.1.PHÂN LOẠI VÀ TỔNG QUAN VỀ CẤU TẠO MÁY BIẾN ÁP :

HÌNH 4.1: Hình dạng và kết cấu của một số dạng biến áp 1 pha

HÌNH 4.2: Hình dạng và kết cấu của một số dạng biến áp 3 pha

Tiêu chuẩn phân lọai máy biến áp được trình bày như sau

Khi căn cứ vào lọai nguồn điện cấp vào sơ cấp (ngõ vào) biến áp, ta có biến áp 1 pha

và biến áp 3 pha Một số dạng biến áp 1 pha trình bày trong hình 4.1, hình 4.2 trình bày một số kết cấu biến áp 3 pha

Khi phân lọai theo hình dạng lá thép tạo nên mạch từ , chúng ta có hai dạng : lọai lỏi (core type) và lọai bọc (shell type) Với máy biến áp 1 pha lọai lỏi có mạch từ tạo thành từ các lá thép U, I hay các lá thép I khác kích cở, xem hình 4.3

HÌNH 4.5 : K ết cấu biến áp 3 pha

Chúng ta có kết cấu biến áp 1 pha lọai bọc (shell type) như đã trình bày trong hình 4.1 và trong hình 4.3 trình bày phương pháp ghép lá thép vào cuộn dây của biến áp 1 pha lọai bọc Ngoài các kết cấu chính cho loại biến áp như đã trình bày, chúng ta có thể gặp các kết cấu khác cho biến áp một pha tạo thành variac (bộ biến điện dạng biến áp tự ngẩu dùng chỉnh tinh điện áp ngõ ra ); xem hình 4.4

Trong các biến áp 3 pha lọai mạch

từ chung Mạch từ được tạo thành có 3

trụ, trên mỗi trụ được bố trí dây quấn sơ

và thứ cấp của mỗi pha Hình dạng và kết

cấu của biến áp 3 pha 3 trụ trình bày trong

hình 4.2 Dây quấn trên mỗi pha của biến

áp 3 pha thường được quấn theo dạng

cuộn dây hình trụ tròn và lỏi thép biến áp

có tiết diện là hình đa giác tổ hợp từ nhiều

dạng chũ nhựt tạo thành

Với biến áp 3 pha công suất lớn, dạng biến áp truyền tải; toàn bộ biến áp sau khi được chế tạo được đặt trong vỏ thùng có chứa dầu cách điện với công dụng cách điện và giải nhiệt cho biến

áp khi vận hành Trên vỏ có các cánh giải nhiệt và các ống dẫn dầu đối lưu giải nhiệt cho toàn

hệ thống Kết cấu của biến áp truyền tải trình bày trong hình 4.5

Trong hình 4.6 trình bày kết cấu biến

áp 3 pha và các đầu ra dây sau khi thi công hòan chỉnh dây quấn Biến áp thuộc loại cách điện dùng dầu hoặc cách điện dùng môi trường không khí (biến áp khô)

Tóm lại máy biến áp gồm các thành phần sau:

Lỏi thép (hay mạch từ) dùng tập trung

đường sức từ thông để hình thành hiện tượng cảm ứng điện từ Lỏi thép được ghép thành từ các lá thép rời có độ dầy từ 0,35 mm đến 0,5 mm Lá thép kỹ thuật điện là hợp chất của sắt và Silic, hàm lượng Silic từ 1% đến 4%

Bộ dây sơ cấp hay ngõ vào biến áp nhận điện năng từ nguồn cấp vào biến áp

Bộ dây thứ cấp hay ngõ ra của biến áp cấp điện năng đến tải

Dây quấn biến áp bằng đồng hay nhôm

có tiết diện tròn hay chữ nhựt

HÌNH 4.3: Lá thép E, I bi ến áp 1 pha

HÌNH 4.4 : K ết cấu của biến áp dạng variac

Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phịng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009

119

BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 4

4.2.CÁC ĐỊNH LUẬT ĐIỆN TỪ ÁP DỤNG KHẢO SÁT NGUYÊN LÝ MÁY BIẾN ÁP :

4.2.1.TỪ TRƯỜNG:

Từ trường là kết quả đạt được từ chuyển động của các điện tích Từ trường được tạo nên trong vùng khơng gian bao quanh dây dẫn mang dịng là do sự chuyển động của các điện tích dưới dạng dịng điện

Từ trường được biểu diễn bằng các đường khép kín được gọi là đường sức từ trường hay từ phổ Các đường sức này được định hướng tương tự như cực tính của nam châm vĩnh cửu Qui tắc bàn tay phải được áp dụng để định hướng đường sức từ trường tạo ra trong khơng gian xung quanh dây dẫn đang mang dịng, xem hình 4.7





Từ trường tạo bởi dây dẫn thẳng Từ trường tạo bởi dòng qua cuộn dây solenoid

HÌNH 4.7: Qui tắc bàn tay phải định hướng đường sức từ trường tạo bởi dịng qua dây dẫn

HÌNH 4.6: Dây qu ấn và các đầu ra của dây quấn trên biến áp 3 pha

QUI TẮC BÀN TAY PHẢI

Ta có hai trường hợp :

Khi dây dẫn thẳng (xem như dài vô hạn) có dòng đi qua : hướng ngón cái của bàn tay phải hướng theo dòng qua dây dẫn; chiều co (hay nắm lại) của các ngón tay khác của bàn tay phải là chiều của đường sức từ trường sinh ra bởi dòng qua dây dẫn thẳng này

Với cuộn dây quấn hình trụ (cuộn dây solenoid) khi cho dòng điện qua dây quấn; dòng điện qua các đường tròn xoắn ốc tao từ trường có phương thẳng tại tâm ống dây và đường sức

từ trường có khuynh hướng móc vòng khép kín

4.2.2 MẠCH TỪ – TƯƠNG ĐỒNG MẠCH ĐIỆN VỚI MẠCH TỪ:

Mỗi mạch từ được ghép

từ các lá thép kỹ thuật điện tạo thành lõi thép tập trung đường sức từ thông theo hướng định trướvc Dạng lỏi thép trong hình thường dùng cho máy biến áp hay dùng cho máy điện quay có 2p = 2 cực Trong mạch từ máy điện quay bao gồm : lỏi thép stator, lỏi thép rotor và khe hở không khí ; từ thông luôn đi theo đường ngắn nhất trong khe hở không khí

4.2.2.1.TỪ THÔNG :

Trong mạch từ, lượng đường sức xuyên qua tiết diện của mạch từ nhiều hay ít được đánh giá bằng đại lượng từ thông Từ thông  xuyên tiết diện A được xác định theo quan hệ :

B.A.cos

Trong đó góc  là góc hợp bởi vector pháp tuyến n

của tiết diện A với vector từ cảm B 

Số lượng đường sức từ trường xuyên qua tiết diện A càng nhiều giá trị từ thông càng lớn, nói một cách khác từ cảm hay mật độ từ thông trên một đơn vị tiết diện khảo sát có giá trị lớn

Khi hướng của vector pháp tuyến n và hướng của vector từ cảm B  trùng nhau, đường sức qua tiết diện A nhiều hơn ; trường hợp này từ thông xuyên qua tiết diện đạt giá trị cực đại:

Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phòng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009

121

BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 4

4.2.2.2.TỪ TRỞ :

Như đã biết, điện trở R là đại lượng đặc trưng tính cản trở dòng điện đi trong vật dẫn

Điện trở đoạn dây dẫn có bề dài  tiết diện sxác định theo quan hệ :

R s

Tương tự trong mạch từ để đặc trưng tính dẫn từ, cho phép đường sức từ trường đi qua mạch từ nhiều hay ít, được xác định bằng từ trở Như vậy, có thể nói từ trở là đại lượng đo lường sự đối kháng của mạch từ khi hình thành từ thông qua mạch từ

Từ trở  theo quan hệ sau :

A

Tương tự, trong mạch từ muốn hình thành từ thông trong, chúng ta cần sự chênh lệch từ thế trong mạch từ,nói khác đi trong mạch từ phải tồn tại từ áp ( hiệu số từ thế) Giá trị từ áp này

còn được gọi là sức từ động F

ĐỊNH LUẬT AMPÈRE:

Gọi H  là cường độ từ trường tạo bởi tập hợp các dòng điện i1 ; i2 ; in và C là đường cong khép kín trong không gian bao quanh các dây dẫn mang tập hợp dòng điện trên Theo Ampère ta có:



n k

đường cong C bao quanh các dây dẵn đang mang dòng điện (đang được biểu diễn bằng các vòng tròn có đánh

trong mạch từ Áp dụng quan hệ (4.5) chúng ta có được kết quả sau khi viết lại định luật Ampère :

Trong đĩ L tb là t ổng b ề dài đường sức trung bình trong mạch từ ; H là cường độ từ

trường của vật liệu dẫn từ tạo nên mạch từ Trong trường hợp này chúng ta phát biểu: khi cho dịng I qua N vịng dây quấn trên mạch từ ; sức từ động tạo ra trong mạch từ thỏa quan hệ:

Đơn vị đo được xác định như sau :     I      A ;     N    vòng   ;     F    A.vòng  

4.2.4.ĐỊNH LUẬT OHM TRONG MẠCH TỪ :

Từ các quan hệ (4.4) ; (4.6) và (4.7) suy ra:

Khi các đường sức đi trong mạch từ theo hướng thẳng gĩc với tiết diện mạch từ tại mọi

vị trí , từ thơng qua tiết diện đạt giá trị cực đại quan hệ (4.9) được viết lại dưới dạng sau:

Tương đồng tính chất từ thơng  trong mạch từ với dịng điện I trong mạch điện.

Xem vai trị từ trở  trong mạch từ như vai trị của điện trở R trong mạch điện.

Đồng thời xem điện áp V là nguyên nhân sinh ra dịng điện I và sức từ động F là nguyên nhân sinh ra từ thơng  trong mạch từ

Như vậy với mạch điện, chúng ta cĩ định luật Ohm : V = R.I

Trong mạch từ , tương tự chúng ta cũng cĩ định luật Ohm : F = .

Từ các phân tích trên, chúng ta xây dựng được sự tương đồng giữa các đại lượng vật lý đặc trưng tính chất mạch điện và mạch từ qua bảng tĩm tắt sau đây Ngịai ra, chúng ta cĩ thể tĩm tắt quá trình điện từ hình thành trong mạch từ cĩ N vịng dây quấn , xem hình 1.4

CẤP ĐIỆN ÁP

HÌNH THÀNH SỨC TỪ ĐỘNG

F = N.I TRONG MẠCH TỪ

SỨC TỪ ĐỘNG

F TẠO RA TỪ THÔNG KHÉP KÍN TRONG MẠCH TỪ

ĐỊNH LUẬT OHM MẠCH ĐIỆN ĐỊNH LUẬT AMPÈRE ĐỊNH LUẬT OHM MẠCH TỪ

HÌNH 4.9: Quá trình điện từ hình thành trong mạch từ, khi cấp điện áp vào dây quấn trên mạch từ

Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phòng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009

123

BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 4

TƯƠNG ĐỒNG CÁC ĐẠI LƯỢNG VÀ CÁC PHƯƠNG TRÌNH GIỮA MẠCH ĐIỆN VÀ MẠCH TỪ

4.2.5 ĐỊNH LUẬT CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ – CÔNG THỨC FARADAY – ĐỊNH LUẬT LENZ :

Trên mạch từ (lỏi thép) có cuộn dây quấn N vòng, cho dòng sin i I cos t  m    qua bộ dây Theo định luật Ampère, sức từ động hình thành trong mạch từ là F N.i  biến thiên theo qui luật sin đối với biến thời gian t

 

m

Trong đó: Fm = N.I m l: biên độ của sức từ động F

Sức từ động này hình thành từ thông  trong mạch

từ Giả sử từ trở trong mạch từ không phụ thuộc biến thời gian; áp dụng định luật Ohm trong mạch từ ta có: F   Hay:

 : biên độ của từ thông Khảo sát tại tiết diện A bất kỳ trong mạch từ, từ

thông xuyên qua tiết diện biến thiên theo thời gian t

CÔNG THỨC FARADAY

Với cuộn dây quấn trên mạch từ CÓ N vòng dây, khi có từ thông biến thiên xuyên qua tiết diện của cuộn dây; sức điện động cảm ứng hình thành trong mỗi vòng dây (tương ứng tại một tiết diện S của mạch từ ) thỏa quan hệ sau:

d e dt



Với cuộn dây có N vòng dây quấn (nối tiếp) , sức điện động cảm ứng sinh ra trên tòan bộ cuộn dây là:

4.3.NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG CỦA MÁY BIẾN ÁP:

Nguyên lý họat động của máy biến áp dựa trên công trình của Micheal Faraday 1867) khi ông khám phá được định luật cảm ứng điện từ với hai cuộn dây quấn trên cùng mạch từ; sự thay đổi dòng điện trong một cuộn dây sẽ tạo ra sức điện động cảm ứng trong cuộn dây còn lại Các sức điện động cảm ứng được gọi là điện áp biến áp (transformer voltages) và thiết bị bao gồm mạch từ với các bộ dây quấn thực hiện mục tiêu trên được gọi là máy biến áp

(1791-(transformer) Nguyên lý hoạt động của máy biến áp được khảo sát và phân tích theo 3 chế độ:

Chế độ không tải

Chế độ vận hành mang tải

Chế độ thử nghiệm ngắn mạch máy biến áp

Khi khảo sát, cần quan tâm đến quá trình điện từ hình thành trong mỗi chế độ và thành lập mạch điện tương đương (hay mô hình tóan học) để thuận lợi cho việc khảo sát

Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phòng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009

125

BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 4

4.3.1 THÔNG SỐ ĐỊNH MỨC:

Các thông số định mức của máy biến áp được qui định do nhà sản xuất khi chế tạo để

máy vận hành ở chế độ liên tục, dài hạn Các giá trị định mức gồm :

Điện áp định mức

Dòng điện định mức Công suất biểu kiến định mức

Điện áp sơ cấp định mức (ký hiệu là V 1đm ) là điện áp nguồn cấp đến ngõ vào biến áp theo qui định của nhà sản xuất Điện áp này tương thích với số vòng dây quấn của bộ dây sơ cấp

Điện áp thứ cấp định mức (ký hiệu là V 2đm ) là điện áp đo được ở hai đầu dây quấn thứ cấp khi thứ cấp hở mạch không đấu vào tải và áp cấp vào sơ cấp bằng đúng giá trị định mức

CHÚ Ý:

Máy biến áp vận hành không tải

khi: thứ cấp hở mạch không đấu vào tải

và sơ cấp được cấp điện áp từ nguồn có giá trị bằng đúng định mức Trong hình 4.11 áp thứ cấp không tải được ký hiệu

là V 20 ; điện áp cung cấp phía sơ cấp là V1

Chỉ số 1 dùng cho các đại lượng phía sơ cấp; chỉ số 2 dùng cho các đại lượng phía thứ cấp Khi biến áp họat động tại trạng thái không tải:

Điện áp sơ cấp được cấp từ nguồn bằng đúng định mức : V1 = V 1đm

Điện áp thứ cấp lúc không tải : V20 = V 2đm

Dòng điện qua dây quấn sơ cấp tại trạng thái này gọi là dòng không tải của biến áp : I10 Khi biến áp mang tải, dòng điện qua sơ cấp và thứ cấp thay đổi tùy thuộc vào độ lớn và tính chất của tải, các giá trị này có thể không bằng giá trị định mức qui định do nhà sản xuất

Dòng điện định mức sơ cấp (ký hiệu là I 1đm ) và dòng điện định mức phía thứ cấp (ký hiệu là I 2đm ) là dòng điện qui định bởi nhà sản xuất cho phép qua các dây quấn để biến áp vận hành đạt được công suất định mức ương ứng với điện áp định mức

Trong hình 4.12 khi cấp tải vào thứ cấp biến áp trong trạng thái này ta có các kết quả sau:

Điện áp thứ cấp là áp đặt ngang qua hai đầu tải: V 2 (V 2  V 20)

Tại tải bất kỳ, dòng qua tải và dây quấn thứ cấp biến áp là I2 , dòng điện sơ cấp là I1

Khi dòng qua tải và dây quấn thứ cấp biến áp là I2đm thì dòng qua sơ cấp là I1dm , tại trạng thái náy ta nói máy biến áp đang đầy tải hay tải đúng định mức

Máy biến áp mang tải Máy biến áp mang tải định mức

HÌNH 4.12: Các tr ạng thái mang tải của máy biến áp

Với máy biến áp 1 pha công suất định mức của máy biến áp (ký hiệu là Sđm) là công suất biểu kiến của máy biến áp

Trong đó S 2 công su ất biểu kiến đang cấp đến tải từ thứ cấp biến áp: S 2  V I 2 2

Với định nghĩa theo trên, hệ số tải có giá trị trong khoảng: 0 K t  1, cần chú ý thêm các cách nói như sau:

 Máy biến áp non tải (under load) khi K  1 t

 Máy biến áp đầy tải (hay tải định mức – full load) khi K  1 t

 Máy biến áp quá tải (over load) khi K  1 t

 Máy biến áp đang mang nửa tải khi K t  0 5 ,

 Máy biến áp đang mang 36,5% tải khi K t  0 365 ,

THÍ DỤ 4.1:

Cho máy biến áp 1 pha: 10 KVA, 2400 V / 240 V – 50 Hz Với cách trình bày các thông

số định mức của máy biến áp theo trên, ta có:

Công suất định mức : S đm = 10 KVA = 10000 VA

Khi máy biến áp đang mang tải với hệ số tải là: K t  0 6 , dòng điện qua các bộ dây biến

áp có giá trị được tính toán theo các quan hệ sau:

Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phòng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009

127

BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 4

4.3.2.CHẾ ĐỘ KHÔNG TẢI CỦA MÁY BIẾN ÁP :

4.3.2.1.QUÁ TRÌNH ĐIỆN TỪ TRONG CHẾ ĐỘ KHÔNG TẢI:

Khi cấp vào sơ cấp biến áp điện

áp v 1đm, quá trình điện từ hình thành và diễn tiến trong máy biến áp theo trình tự sau:

Mạch sơ cấp kín, theo định luật Ohm, áp v 1đm tạo ra dòng điện không tải i 10 trong dây quấn sơ cấp Giá trị hiệu dụng của dòng không tải i10 là I 10

Dòng i 10 đi qua N1 vòng dây sơ cấp hình thành sức từ động không tải

F 10 trong mạch từ (lỏi thép) của máy biến áp Sức từ động không tải F10 được xác định theo quan hệ sau:

Sức từ động F10 tạo thành từ thông chính 0khép kín mạch trong lỏi thép (mạch từ) và

móc vòng kín qua các cuộn dây quấn Theo định luật Ohm trong mạch từ ta có quan hệ:

Suy ra biên độ của các sức điện động sơ cấp e1 và thứ cấp e2 như sau:

Biểu thức xác định sức điện động hiệu dụng sơ cấp và thứ cấp ghi nhận như sau:

4.3.2.2.MẠCH TƯƠNG ĐƯƠNG BIẾN ÁP TẠI CHẾ ĐỘ KHƠNG TẢI:

Từ các quan hệ (4.23) đến (4.24) ta rút ra kết luận sau :

Ngồi thành phần từ thơng o, ta cần chú ý đến các đường sức từ trường khơng mĩc vịng trong lỏi thép chỉ mĩc vịng qua cuộn dây sơ cấp và chạy trong khơng khí Thành phần này được gọi là từ thơng tản (leakage flux) phía sơ cấp, được ký hiệu là t1 , xem hình 4.13

Khi xét riêng phía sơ cấp, do từ thơng chính o biến thiên theo thời gian t hình thành sức điện động cảm ứng sơ cấp e1 Khi biến áp khơng tải bộ dây sơ cấp đĩng vai trị như mơt cuơn cảm, do đĩ chúng ta cĩ thể tương đồng sức điện động cảm ứng ở sơ cấp với sức điện động

tự cãm sinh ra trong cuơn dây khi dịng điện qua dây quấn biến thiên theo thời gian Như vậy ta cĩ thể xem sức điện động cảm ứng e1 được đặt ngang qua hai đầu của phần tử điện cảm khi xây dựng mạch điện tương đương và gọi phần tử này là điện kháng từ hĩa X m.

Tương tự thành phần từ thơng tản t1 cũng được đặc trưng bằng phần tử điện cảm được gọi là điện kháng tản từ phía sơ cấp Xt1

Với N1 vịng dây quấn sơ cấp, ta cĩ R1điện trở dây quấn phía sơ cấp Dựa vào phân tích vừa trình bày mạch điện tương đương phía sơ cấp của biến áp lúc vận hành khơng tải (khi chưa xét đến tổn hao lỏi thép) được trình bày trong hình 4.15

HÌNH THÀNHSỨC TỪ ĐỘNG F10 TRONG MẠCH TỪ

TỪ THÔNG TỪ HÓA KHÉP KÍN TRONG MẠCH TỪ

SỨC ĐIỆN ĐỘNG CẢM ỨNG HÌNH THÀNH TRONG DÂY QUẤN SƠ VÀ THỨ CẤP

ĐL OHM MẠCH ĐIỆN ĐL AMPERE

ĐL OHM MẠCH TỪ

ĐỊNH LUẬT CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ CÔNG THỨC FARADAY

HÌNH 4.14: Quá trình điện từ hình thành trong biến áp tại chế độ khơng tải

Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phòng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009

129

BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 4

Khi biến áp vận hành không tải, từ thông o trong lỏi thép biến thiên theo t nên

tạo ra dòng điện xoáy (dòng Foucault)

trên các lá thép và tạo hiện tương phát nóng trên lá thép Ngoài ra tùy thuộc vào vật liệu dẫn từ tạo nên lá thép ta còn có tổn hao thép tạo bởi chu trình từ trễ của đường cong từ hóa B = f(H) Xem phân tích các thành phần tổn hao này trong phụ lục 1 Các thành phần tổn hao thép phụ thuộc vào độ lớn của từ cảm B hay từ thông  o

Do đó, ta có thể xem như tổn hao thép tỉ lệ với giá trị hiệu dụng sức điện động E 1

Tóm lại, tổn hao thép được đặc trưng bằng phần tử điện trở R c ghép song song với điện kháng từ hóa Xm

Mạch điện tương đương hình 4.15 được vẽ lại chính xác theo hình 4.16 khi có xét đến ảnh hưởng tổn hao thép do dòng xóay và chu trình từ trễ của

Thành phần dòng điện qua Xm được

ký hiệu là Im: đây là thành phần dòng từ hóa của dòng điện không tải I 10 Dòng từ hóa tạo nên từ thông chính 0

Thành phần dòng điện qua điện trở

R c được ký hiệu là Ic: đây là thành phần dòng điện của dòng điện không tải tạo nên tổn hao trong lỏi thép

4.3.2.3.PHƯƠNG TRÌNH CÂN BẰNG ÁP VÀ GIẢN ĐỒ VECTOR PHASE

Với mạch điện tương đương trong hình 4.16; muốn xây dựng giản đồ vector phase, trước tiên chúng ta xác định các phương trình cân bằng dòng và áp phía sơ cấp biến áp lúc không tải

HÌNH 4.15: Mạch tương đương biến áp lúc không tải

(khi chưa xét đến tổn hao trong lỏi thép)

CHÚ Ý:

Khi xây dựng giản đồ vector chúng ta thực hiện tuần tự theo các bước sau:

Vẽ vector đặc trưng từ thông từ hóa o trước tiên

Vẽ vector sức điện động cảm ứng E 1 phía sơ cấp Vector này chậm pha hơn vector từ thông  o góc 90 o

Từ vector E 1 suy ra vector đảo  E1

Dựa vào quan hệ (4.31) để vẽ các vector dòng điện I C và I m

Căn cứ quan hệ (4.32) suy ra vector dòng không tải I 10 từ các vector I C và I m

Vẽ các vector áp đặt ngang qua hai đầu mỗi phần tử R 1 và X t 1 khi có dòng điện I 10đi qua Vector áp  R I 1 10 trùng pha với vector dòng I 10 Vector áp j.X I t 1 10 sớm pha hơn vector dòng I 10 góc 90o

Từ quan hệ (4.30) áp dụng phép cộng các vector  E1 ;  R I 1 10 ; j.X I t 1 10 suy ra vector áp sơ cấp  V1 dm

4.3.3.CHẾ ĐỘ MANG TẢI CỦA MÁY BIẾN ÁP :

4.3.3.1.QUÁ TRÌNH ĐIỆN TỪ HÌNH THÀNH TRONG BIẾN ÁP LÚC MANG TẢI

Khi đóng tải vào thứ cấp, mạch thứ cấp kín hình thành dòng

điện I 2 Dòng I 2 là dòng điện cảm ứng được sinh ra do sức điện động cảm ứng e 2 phía thứ cấp.

Theo định luật Lenz dòng cảm ứng

I 2 ạo ra các hệ quả đối kháng với

nguyên nhân ban đầu sinh ra nó Dòng I 2 qua N 2 vòng dây thứ

cấp tạo ra sức từ động F 2 Sức từ động F2 hình thành từ thông ứng

2 đối kháng với thành phần từ thông  0 ban đầu sinh ra nó Hướng của đường sức từ tạo bởi 2 ngượcvới hướng của đường sức từ tạo bởi

từ thông từ hóa 0 ban đầu

Sự kiện này dẫn đến sức điện động phía sơ cấp E1 giảm thấp (vì từ thông 0 giảm xuống

do tác dụng khử từ của 2 ) Để bảo toàn phương trình cân bằng điện áp phía sơ cấp, dòng điện

sơ cấp phải tăng lên đến mức I1 (tính từ giá trị ban đầu lúc không tải là I10 )

Dòng điện I1 phía sơ cấp qua N1 vòng dây sơ cấp tạo thành sức từ động F1 Sức từ động

F 1 tạo nên từ thông 1cùng hướng từ thông 0 và đối kháng lại với từ thông 2

Quá trình điện từ hình thành trong biến áp lúc mang tải theo mô tả trên còn được gọi là

phản ứng phần ứng trong biến áp Phản ứng phần ứng biến áp sẽ cân bằng khi 1 + 2 = 0 Với phân tích trên, quá trình điện từ trong chế độ mang tải của biến áp được tóm tắt từng giai đọan trong hình 4.19

Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phòng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009

4.3.3.2.MẠCH TƯƠNG ĐƯƠNG BIẾN ÁP LÚC MANG TẢI

Muốn thành lập mạch tương đương của biến áp lúc mang tải, áp dụng phương pháp phân tích như đã thực hiện lúc khảo sát biến áp ở chế độ không tải Ta chú ý các điểm sau đây:

Dòng thứ cấp I2 tạo ra thành phần từ thông tản từ t2 phía dây quấn thứ cấp Thành phần từ thông tản thứ cấp được đặc trưng bằng điện kháng tản từ X t2

Gọi điện trở nội của dây quấn thứ cấp là R 2

Về phía tải ta có tổng trở tải là Z t với hệ số công suất tải được ký hiệu là cos2

Mạch tương đương của biến áp lúc mang tải trình bày trong hình 4.20 Các phương trình cân bằng áp và dòng tại sơ và thứ cấp biến áp lúc mang tải được tóm tắt như sau:

Tại phía sơ cấp:

Phương trình cân bằng sức từ động:

4.3.3.3.MẠCH TƯƠNG ĐƯƠNG BIẾN ÁP QUI ĐỔI THỨ CẤP VỀ SƠ CẤP

Với mạch tương đương xây dựng trong hình 4.20, khi khảo sát để xác định các đặc tính làm việc của máy biến áp chúng ta vẫn còn gặp một trở ngại do hai bộ dây quấn cách ly nhau và chỉ

quan hệ nhau thông qua từ thông từ hóa

Giả sử bỏ hẳn phần mạch của biến áp lý tưởng đặc trưng cho từ thông từ hóa trong hình

4.20; thực hiện phép biến đổi các thông số của mạch thứ cấp sang các giá trị mới Sau cùng kết nối song song mạch thứ cấp vừa chuyển đổi với mạch sơ cấp tại các nút a

Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phòng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009

133

BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 4

Nếu ký hiệu các thông số của mạch thứ cấp sau qui qui đổi bằng cách thêm dấu phẩy trên các ký hiệu

R' 2 , X ' t 2 và Z 't là các giá trị qui đổi về sơ cấp của các thông số R 2, X t 2 và Z t

E'2 và V' 2 là các giá trị qui đổi về sơ cấp của các thông số E2 và V2

I'2 là giá trị qui đổi về sơ cấp của dòng phức I 2

Các yêu cầu cần thỏa qui đổi thứ về sơ cấp bao gồm:

Giá trị sức điện động thứ cấp sau khi qui đổi là E'2 phải bằng với giá trị của sức

điện động phía sơ cấp E1 Điều kiện này cần phải đảm bảo để thực hiện ghép song song

mạch thứ cấp sau khi qui đổi với sơ cấp

Các phương trình cân bằng áp ở thứ cấp trước và sau khi qui đổi phải đồng dạng với nhau.Điều kiện này đảm bảo quá trình vật lý ở thứ cấp không thay đổi sau khi qui đổi

PHƯƠNG THỨC QUI ĐỔI

 Qui đổi các thông số điện áp:

Từ tỉ số biến áp ta có: E1  K Eba 2 Muốn có được quan hệ E1  E'2 ta đặt:

ba

 Qui đổi các thông số dòng điện:

Từ phương trình cân bằng sức từ động (4.38); chia 2 vế cho số vòng sơ cấp N1, ta có:

tả định luật Kirchhoff 1 tại nút a Như vậy sau khi

đã qui đổi mạch thứ cấp

và đấu song song với sơ cấp; thành phần dòng điện thứ cấp qui đổi I'2

phải thỏa định luật K1 tại nút a, xem hình 4.22 Suy ra:

ba

I I' K

HÌNH 4.22: Phương thức ghép nối song song sơ cấp và thứ cấp qui đổi

 Qui đổi các thông số tổng trở:

Muốn thỏa điều kiện phương trình cân bằng áp phía thứ cấp trước và sau khi qui đổi được đồng dạng, ta thực hiện phép tính như sau:

Nhân 2 vế của quan hệ (4.36) cho Kba ta có:

ra các thông số qui đổi khác còn lại như sau:

4.23 Với kết quả tìm được

dấu của áp và sức điện động cũng như hướng của dòng đi qua mạch đảm bảo đúng ý nghĩa vật lý của các quá trình điện từ xãy ra và được giải thích khi khảo sát nguyên lý hoạt động của máy biến áp Cần chú ý trong một

số các tài liệu, sách Kỹ Thuật Điện dấu của các sức điện động và hứng dòng điện thức cấp qui đổi trong hình 4.23 được ký hiệu ngược lại Trong trường hợp này chúng ta xem như E1 là áp đặt ngang qua hai đầu của các phần tử RC và X m , ý nghĩa vật lý của thao tác này tương tự như trường hợp áp L   